湖南大学这个团队，1个月连发三篇Nature大子刊！

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-01 08:02

正文

磁共振成像（MRI）作为临床诊断的重要工具，因其高空间和时间分辨率、无创特性以及能够提供详细的软组织对比度而广泛应用于医学领域。随着MRI对比剂的发展，其诊断能力得到了进一步提升，使得分子影像学在特定生物标志物检测中的应用成为可能。然而，在活体系统中实现生物分析物的定量分析仍面临巨大挑战，主要由于难以区分由探针与靶标分析物反应激活产生的MRI信号与由探针在靶标部位积聚所产生的信号。

传统的技术，如化学交换饱和转移（CEST）和比值反演弛豫率（r2/r1）方法，已尝试解决这一问题。尽管这些方法展示了潜力，但它们存在低内在灵敏度、探针浓度依赖性变化等问题，这些都限制了其在活体中的可靠定量应用。此外，许多方法需要超高磁场或仅限于特定分析物，这进一步限制了其广泛应用。

2024年11月29日，湖南大学宋国胜教授、张晓兵教授课题组和斯坦福大学医学院饶江宏教授合作，在Nature Biomedical Engineering期刊上发表了一篇名为：Magnetic-susceptibility-dependent ratiometric probes for enhancing quantitative MRI的论文。该论文共同通讯作者是湖南大学张晓兵教授，宋国胜教授，斯坦福大学医学院饶江宏教授；论文第一作者是湖南大学张晓兵教授课题组成员博士生张成。

该论文提出了一种新的比值型MRI探针策略，利用磁化率依赖的磁共振调谐（Ms-dMRT）来提高灵敏度和定量精度。通过结合锰卟啉（Mn-porphyrin）和超顺磁性氧化铁纳米颗粒，他们设计了能够显著改变r2/r1弛豫率比值的探针，这种变化与分析物浓度相关，但不受探针浓度的影响。这种新方法大幅度扩展了比值响应的动态范围，灵敏度比传统的基于钆（Gd）的探针提高了超过10倍。此外，这些探针能够在活体中进行实时分子成像，为肿瘤微环境、药物引起的肝损伤等病理过程提供了重要的分子信息，且不受探针浓度变化的干扰。这一进展有望显著提升MRI在临床和研究中的分子诊断潜力。

【主要内容】

研究设计了一种基于Ms-dMRT策略的比率型磁共振成像（MRI）探针，通过将顺磁性锰卟啉（增强剂）和超顺磁性氧化铁纳米颗粒（猝灭剂）结合制备响应性探针（如H₂O₂-RMN、H₂S-RMN和H+-RMN）。探针在不同刺激（H₂O₂、H₂S、酸性pH）下发生聚集或解离，导致磁化率（Ms）和粒径变化，从而调控T1和T2弛豫率（r1和r2）的比率。实验表明，H₂O₂和H₂S刺激下r2增加、r1降低；酸性条件下则表现为r2降低、r1增加。这种比率型信号变化可通过MRI图像清晰呈现，为精准诊断和实时监测特定生化环境变化提供了新工具。

图1：Ms-dMRT策略用于大响应动态范围比值型MRI探针的示意图。“淬火剂”和“增强剂”的聚集或解聚，导致“淬火剂”磁化率（Ms）的变化。磁化率（Ms）的变化通过磁共振调节作用影响相邻“增强剂”的电子自旋，从而实现r1和r2的相反变化。

图2：基于Ms-dMRT的比值型MRI探针的设计与磁响应。

基于比率型磁共振成像（r2/r1）的探针

探针的松弛度r（CA）i受探针和分析物反应的影响，通过公式计算r2/r1比值。实验结果表明，H₂O₂、H₂S和酸性条件下，r2和r1的变化符合预期，且r2/r1比值可用于定量分析各分析物浓度。此外，通过7T MRI扫描获得的成像数据也支持了r2/r1比值与分析物浓度的正相关。对比控制探针（如Ir-RMN-1和Ir-RMN-2），比率型探针展示了更强的响应性和更高的定量能力，证明了其在比率型MRI中的应用优势。

图3：溶液中使用Ms-dMRT探针的比值型MRI。

通过酸性响应的H+-RMN和对照组Ir-RMN-2，结合T1/T2加权MRI和松弛时间图，验证了比率MRI在肿瘤微酸环境中检测pH的能力。H+-RMN显示随时间T1缩短、T2增加，RMS (r2/r1)显著下降78.8%，而Ir-RMN-2无明显变化。通过静脉注射，H+-RMN显示肿瘤部位T1持续降低、T2先降后反弹，RMS (r2/r1)随时间下降，反映肿瘤酸性激活。进一步研究表明，H₂O₂-RMN在肿瘤内T1和T2的变化以及RMS增加可用于检测H₂O₂，且不受探针浓度影响。同样，H₂S-RMN在HCT116肿瘤模型中也表现出RMS显著变化，验证了其在肿瘤H₂S检测中的潜力。

图4：肿瘤中酸度或H2O2的比值型MRI成像。

比率MRI定量测定肿瘤内H₂O₂、H₂S和pH值

首先，针对H₂O₂，建立了其浓度与RMS (r2/r1)之间的标准曲线，发现随着H₂O₂浓度增加，RMS显著上升，最终定量结果为1.09 µmol/g。对于H₂S，建立了H₂S浓度与RMS (r2/r1)的关系，R2=0.98，H₂S浓度为3.0 µmol/g。最后，通过注射不同pH缓冲液建立pH值与RMS (r2/r1)之间的关系，最终定量肿瘤pH值为6.35。该方法为肿瘤微环境的动态监测提供了有效的定量手段。

图5：通过比值型MRI定量肿瘤中的H₂O₂。

比率MRI探针定量测定药物引起的肝损伤中的H₂O₂水平

以对乙酰氨基酚（APAP）诱导小鼠肝损伤为模型，APAP通过CYP450氧化生成NAPQI并引发ROS生成，导致H₂O₂积聚。通过H₂O₂-RMN探针动态评估肝脏Kupffer细胞中的H₂O₂水平，结合MRI成像和弛豫时间映射，发现APAP处理组的T1弛豫时间显著增加，RMS (r2/r1)值也显著上升。进一步建立了H₂O₂浓度与RMS值之间的标准曲线，定量结果显示APAP组H₂O₂浓度为1.97 µmol/g，GSH处理组为1.47 µmol/g。该方法可有效监测药物引起的肝损伤和ROS水平变化。

图6：药物引起的肝损伤过程中H₂O₂的比值型MRI成像与定量分析。

小结

本研究提出了一种基于磁性敏感度的磁共振调谐（Ms-dMRT）策略，开发了比率MRI探针用于定量成像生物分析物。该方法通过将超顺磁性铁氧体纳米粒子（作为“淬火剂”）与顺磁性Mn-卟啉分子（作为“增强剂”）封装在响应性聚合物中，响应生物刺激时引起探针的聚集或解聚，导致r2和r1的相反变化，从而放大了r2/r1比率的动态范围。研究表明，该比率MRI信号与分析物浓度呈一致关系，无论探针浓度如何变化。该探针在肝损伤、小鼠肿瘤微环境等多种动物模型中表现出较高的灵敏度和可靠性，能实时成像并定量评估H₂O₂、H₂S和pH等生物标志物，为疾病模型研究、精准医学和药物发现提供了潜在应用。

人物简介

张晓兵，湖南大学教授、化学化工学院院长，校学术委员会副主任，长江学者特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者。1989年毕业于湖南大学，获得有机化工学士、硕士和分析化学博士学位。2005年回国后，致力于新型荧光探针及生物成像研究，曾在法国、瑞典和美国从事博士后研究。获2020年国家自然科学二等奖、2018年教育部自然科学一等奖等多项荣誉，入选爱思唯尔中国高被引学者。主持国家重点研发计划等项目，已在PNAS、Nature Commun.等期刊发表170余篇论文，担任多个期刊副主编或编委。

宋国胜，湖南大学化学化工学院教授、博士生导师，依托化学生物传感与计量学国家重点实验室从事纳米探针及活体成像研究。2014年博士毕业于东华大学，随后在苏州大学和斯坦福大学医学院分子影像中心从事博士后研究。2018年加入湖南大学。研究方向包括生命分析化学、活体分子影像（光声成像、长余辉成像、化学发光成像、核磁成像）及癌症的早期诊断、治疗与疗效检测。

饶江宏是斯坦福大学放射学教授（分子影像项目），兼任化学系教授。其研究领域涉及分子影像学，主要应用于癌症诊断和治疗。饶江宏教授是Bio-X、Sarafan ChEM-H和斯坦福癌症研究所的成员。曾获得多项荣誉，包括人类前沿科学计划青年研究员（2007-2010）和布洛赫威尔科姆科学界面职业奖（2002-2007）。他于1999年获得哈佛大学化学博士学位。

来源：BioMed科技

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